太阳能驱动的光催化制备
“
绿氢
”
反应作为科学领域的
“
圣杯
”
反应，为清洁和可持续能源提供了一条前景广阔的途径。
过去半个世纪，人们针对光催化材料中载流子分离效率提升等方面开展了大量研究，但太阳能向氢能的转化效率一直低于实际应用的最低阈值（
10%
）。
这一方面归因于光催化反应中光生电荷的分离、转移和参与化学反应动力学的高时空复杂性，导致反应过程认识不清晰，限制了高效催化材料的精准设计；
另一方面，载流子
(fs-ns)
和表面反应
(μs-ms)
动力学在时间尺度上匹配度差，极大地限制了半导体光催化材料的性能。
有鉴于此，西南石油大学周莹教授、瑞典隆德大学郑凯波研究员等提出了孪晶界面平衡半导体载流子和表面反应动力学的新方法。
具体地，以
CdS
为模型孪晶材料，在载流子动力学精准优化和高时空分辨探测两方面提出了自己的观点。
载流子动力学精准优化方面：
提出了传质过程可控的孪晶制备策略
(
图
1
)
。构建了
CdS
孪晶光催化材料
(CdS-T)
。利用孪晶多界面特性实现了载流子在催化材料体相和界面的高效分离；利用孪晶界的
Lewis
碱特性调变了催化反应动力学。基于该全时空载流子调控策略，平衡了载流子迁移和表面反应动力学。
图1.
CdS-T的物相组成、微观形貌和组成表征
载流子
/
表面反应动力学高时空探测方面：
发展了可在超快尺度高度衔接的高时空分辨多光谱联用（
TRPL-TA-TRIR
）策略，实现了对光催化材料体相
/
表面
/
反应界面的光生电荷行为的全时空探测，揭示了多重电荷转移机制，为未来揭示光催化材料完整载流子动力学过程提供了可选方案。具体如下：
I)
载流子动力学：
TRPL
和
fs-TA
探究结果证明，孪晶界面的形成可以显著增加光生载流子的转移和分离效率，特别是对光生空穴转移动力学具有显著的影响（
图
2
）。
图2.
耦合fs-TA和TRPL光谱探究CdS-T的载流子动力学
II)
表面反应动力学：
TRIR
结果证实，孪晶界面（
Lewis
碱位）的形成可以加速反应物（
H
+
, HS
-
）的捕获，提升表面载流子消耗动力学。基于同位素实验，对光催化制氢
(H
2
)
过程中质子的来源进行了溯源分析，证实了孪晶界面的形成可以极大促进
H
2
S
提供质子源制取
H
2
（
图
3
）。
图3.
TRIR和同位素实验探究光催化反应动力学及过程
结合上述基于载流子
/
表面反应动力学相关结果，最终提出了
CdS-T
孪晶光催化制氢的完整载流子动力学过程（
图
4
）。
图4.
CdS-T光催化制氢完整载流子动力学机制图
光催化制氢活性证实
CdS-T
光催化材料展示了优异的可见光光催化制氢活性（
55.61 mmol g
-1
h
-1
，
AQE (420 nm) = 53.1%
）和稳定性（大于
30 h
），超越了目前绝大部分
CdS
体系（无助催化单元）的制氢性能（
图
5
）。
图5.
CdS-T可见光光催化制氢活性和稳定性
该工作提供了全面的半导体光催化材料完整动力学（载流子
/
表面反应）研究方案，对于探明制约半导体光催化性能的动力学因素并优化其性能具有重要的理论价值和现实意义。
Meng Dan, Shan Yu,
Weihua Lin, Mohamed Abdellah, Zhen Guo, Zhao-Qing Liu, Tõnu Pullerits, Kaibo
Zheng*, Ying Zhou*, Balancing the Charge Separation and Surface Reaction
Dynamics in Twin-Interface Photocatalysts for Solar-to-Hydrogen Production,
Adv. Mater. 2024, 202415138
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202415138
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